二阶偏导数
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2025-11-21
二阶偏导数(Second-order Partial Derivatives) 是多元函数微分学中的重要概念。对于多元函数 z=f(x,y),其一阶偏导数 ∂x∂z 和 ∂y∂z 仍然是 x 和 y 的函数,我们可以对这些偏导数再求偏导,得到二阶偏导数。
基本定义
对于函数 z=f(x,y),其二阶偏导数包括:
关于 x 的二阶偏导数:
∂x2∂2z=∂x∂(∂x∂z)
关于 y 的二阶偏导数:
∂y2∂2z=∂y∂(∂y∂z)
混合偏导数:
∂x∂y∂2z=∂x∂(∂y∂z)
∂y∂x∂2z=∂y∂(∂x∂z)
混合偏导数的连续性定理
如果函数 f(x,y) 的二阶混合偏导数 ∂x∂y∂2f 和 ∂y∂x∂2f 在某区域内连续,则在该区域内:
∂x∂y∂2f=∂y∂x∂2f
这个性质在实际计算中非常有用,可以大大简化计算过程。
复合函数的二阶偏导数
对于复合函数 z=f(u(x,y),v(x,y)),计算二阶偏导数需要使用链式法则。设 u=u(x,y),v=v(x,y),则:
∂x∂z=∂u∂f⋅∂x∂u+∂v∂f⋅∂x∂v=f1⋅ux+f2⋅vx
其中 f1=∂u∂f,f2=∂v∂f。
例题1
设 z=f(x2−y2,xy),且 f(u,v) 有连续的二阶偏导数,求 ∂x∂y∂2z。
解:
设 u=x2−y2,v=xy,则 z=f(u,v)。
第一步:求一阶偏导数
∂x∂z∂y∂z=∂u∂f⋅∂x∂u+∂v∂f⋅∂x∂v=f1⋅2x+f2⋅y=2xf1+yf2=∂u∂f⋅∂y∂u+∂v∂f⋅∂y∂v=f1⋅(−2y)+f2⋅x=−2yf1+xf2
第二步:求混合偏导数 ∂x∂y∂2z
对 ∂x∂z=2xf1+yf2 关于 y 求偏导:
∂x∂y∂2z=∂y∂(2xf1+yf2)=2x⋅∂y∂f1+f2+y⋅∂y∂f2
其中:
∂y∂f1∂y∂f2=∂u∂f1⋅∂y∂u+∂v∂f1⋅∂y∂v=f11⋅(−2y)+f12⋅x=−2yf11+xf12=∂u∂f2⋅∂y∂u+∂v∂f2⋅∂y∂v=f21⋅(−2y)+f22⋅x=−2yf21+xf22
由于 f 有连续的二阶偏导数,所以 f12=f21。
第三步:合并结果
∂x∂y∂2z=2x(−2yf11+xf12)+f2+y(−2yf12+xf22)=−4xyf11+2x2f12+f2−2y2f12+xyf22=f2−4xyf11+2(x2−y2)f12+xyf22
提示
选择填空小技巧:
∂x∂y∂2z=(∂x∂z)y+∂x∂z⋅∂y∂z
I=(2xf1+yf2)y+(2xf1+yf2)⋅(−2yf1+xf2)=f2−4xyf11+2(x2−y2)f12+xyf22
例题2
设 z=f(xy,yx),其中 f 有连续的二阶偏导数,求 ∂x2∂2z。
解:
设 u=xy,v=yx,则 z=f(u,v)。
第一步:求一阶偏导数
∂x∂z=∂u∂f⋅∂x∂u+∂v∂f⋅∂x∂v=f1⋅(−x2y)+f2⋅y1=−x2yf1+y1f2
第二步:求二阶偏导数
∂x2∂2z=∂x∂(−x2yf1+y1f2)=x32yf1−x2y⋅∂x∂f1+y1⋅∂x∂f2
其中:
∂x∂f1∂x∂f2=∂u∂f1⋅∂x∂u+∂v∂f1⋅∂x∂v=f11⋅(−x2y)+f12⋅y1=−x2yf11+y1f12=∂u∂f2⋅∂x∂u+∂v∂f2⋅∂x∂v=f21⋅(−x2y)+f22⋅y1=−x2yf21+y1f22
第三步:合并结果
∂x2∂2z=x32yf1−x2y(−x2yf11+y1f12)+y1(−x2yf21+y1f22)=x32yf1+x4y2f11−x21f12−x21f21+y21f22=x32yf1+x4y2f11−x22f12+y21f22
(这里使用了 f12=f21)
